Лекция 7. Промышленные микроконтроллеры

ЛЕКЦИЯ 7. ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ

Средства цифровизации промышленности PLC, PAC и IPС

На сегодня PLC (рис.51) являются очень мощными и функциональными. По сути, это базовые блоки для множества небольших проектов. Типичная сфера применения PLC — оборудование OEM-производителей, такое как упаковочное оборудование, линии розлива, укладчики на поддоны и небольшие устройства для перемещения грузов. Обычно для визуализации данных и получения оповещений о работе системы PLC используются совместно с устройствами взаимодействия с пользователем, человеко-машинным интерфейсом (Human-Machine Interface, HMI). Современные PLC имеют значительно более продвинутые возможности по сравнению со своими предшественниками, выпущенными в 70-х и 80-х годах, а именно: возможность работы с высокоскоростными интерфейсами ввода/вывода, выполнение последовательности заданных операций, работа в качестве пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД), функции цифрового ввода/вывода, а также обладают значительно более широким набором инструкций. В зависимости от исполнения и модели PLC часто имеют целый ряд дополнительных модулей, позволяющих проводить высокоскоростные вычисления, использовать дополнительные сетевые интерфейсы, управлять устройствами перемещения и позиционирования и многое другое.

 

Рис. 5. Разные виды программируемых логических контроллеров (PLC)

 

Практически все PLC для коммуникации между блоками внутри системы, а также между различными аналогичными устройствами или же для коммуникации на уровне Ethernet имеют несколько встроенных интерфейсов. Эти интерфейсы включают в себя коммуникации по стандартам EtherNet/IP, Profibus, Foundation Fieldbus или Modbus TCP. Такие сети позволяют производить коммуникацию от одного самостоятельного узла к другому (PLC-к-PLC), соединять удаленные порты ввода/вывода, а также осуществлять взаимодействие с человеко-машинным интерфейсом и системами централизованного управления на уровне предприятия и системами сбора данных (SCADA). В то время как современные PLC достаточно мощные по сравнению со своими «древними» аналогами, на сегодня они по-прежнему имеют определенные ограничения. Чтобы удерживать на конкурентном уровне рыночную цену, PLC имеют ограничения по количеству портов ввода/вывода. Это, в свою очередь, накладывает ограничения на количество используемых модулей, не позволяя, таким образом, расширить функциональные возможности устройства.

PAC

Крупные проекты требуют использования нескольких распределительных шкафов с управляющим оборудованием или, если это очень большой проект, требуется дополнительная процессорная мощность и оперативная память, которые не могут предоставить стандартные PLC. PAC содержат все функциональные возможности PLC, которые были описаны выше, плюс еще целый ряд дополнительных функций.

 

Рис. 2. Программируемые контроллеры автоматизации (PAC)

 

PAC (рис. 2) были разработаны для больших распределенных систем управления и предназначены для управления большими упаковочными линиями, контроля за отдельно функционирующими системами управления и для управления большими автоматизированными передвижными грузовыми платформами и производственными процессами. Доступный набор инструкций в данном случае является более продвинутым и специализированным. Он может содержать команды для управления и контроля выполнения технологических процессов и производственных операций, управления последовательностью выполнения отдельных операций, комплектования партий, а также управления устройствами. Некоторые производители пошли еще дальше, предлагая устройства со специализированным набором инструкций для нефтегазовой, ядерной, пивоваренной промышленностей и других специфических отраслей. Зачастую этот набор инструкций предполагает интенсивные вычисления, что вызывает повышенную нагрузку на процессор и требует от PAC повышенной производительности для корректного выполнения своих функций. Часто PAC используются для централизованного управления на уровне предприятия и систем сбора данных (SCADA), а также для управления и хранения данных в масштабах всего предприятия.

Совершенствование набора команд и соответствующих библиотек HMI делает возможным использование PAC в качестве распределенной системы управления. Большую часть функциональности, производительности и возможностей интеграции, необходимых для функционирования DCS, теперь могут обеспечить и производители PAC. Исторически закрепленные за DCS методы управления, такие как управление на основе прогнозируемых моделей (Model Predictive Control, MPC) и нечеткая логика (Fuzzy Logic — логика с высказываниями не только «истина» и «ложь», но и с любыми промежуточными), используемые в сложных и нестабильных системах контроля с обратной связью, в которых использование традиционных для автоматизации ПИД нецелесообразно, теперь стали доступны для использования с помощью PAC.

IPС

Индустриальные компьютеры стали широко применяться в 90-х годах, когда компании, занимающиеся автоматизацией производств, разработали программное обеспечение (ПО) для обычного компьютера, которое моделирует работу PLC и его окружения. Эти первые попытки использования PC для автоматизации были зачастую неудачными, поскольку на работу ПО влияла нестабильность работы операционной системы (ОС), под управлением которой работает основной PC, а также частые отказы PC, которые не были предназначены для работы в тяжелых условиях среды индустриального производства.

 

 

Рис. 6. Безвентиляторный индустриальный компьютер (IPC)

 

 

Ри с. 7. Сенсорный индустриальный компьютер в составе технологической линии

Рис. 8. Промышленный ноутбук

 

С тех пор сфера IPC претерпела значительные изменения, включая использование защищенных специальных промышленных компьютеров, более стабильных ОС и даже создание некоторыми производителями заказных конфигураций IPC с ядром реального времени для автоматизации производственных процессов. Ядро с функционированием в реальном масштабе времени позволяет отделить работу автоматики от работы окружения ОС, что позволяет получать приоритеты работы таких устройств, как системы ввода/вывода, выше приоритетов самой ОС.

Поскольку IPC используют те же платформы, что и стандартные PC, это позволяет применять более современные процессоры и больший объем памяти, чем в стандартных PLC. Часто IPC совмещают в одном устройстве как HMI, так и всю систему автоматизации, что позволяет снизить общую стоимость такой системы управления. IPC (рис. 3) широко применяются в таком оборудовании OEM-производителей, как передвижные грузовые платформы, а также в проектах с ограниченным рабочим пространством.

 

ТАБЛИЦА. КРИТЕРИИ ВЫБОРА КОНТРОЛЛЕРОВ